自動(dòng)扭矩扳手設(shè)計(jì),自動(dòng),扭矩,扳手,設(shè)計(jì) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書 序 號： 35 學(xué)生姓名: 郭瑞 學(xué) 號： 0612104678 班 級: 機(jī)電0601 專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師: 楊慕升老師 設(shè)計(jì)時(shí)間: 2009.12.21-2010.01.03 計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)扭矩扳手 前言 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種規(guī)格、型號的機(jī)動(dòng)扳手如液壓扳手、氣動(dòng)扳手、電動(dòng)扳手在產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用，這些機(jī)動(dòng)扳手可以顯著地提高工作效率，大大減輕工作強(qiáng)度。液壓扳手以液壓油為工作介質(zhì)，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)工作;氣動(dòng)扳手以壓縮空氣為工作介質(zhì)，通過氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)工作;電動(dòng)扳手直接使用直流電機(jī)或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)。液壓扳手由于附帶一套液壓裝置，投資成本高，傳遞的扭矩一般與扳手的尺寸成正比關(guān)系，使用不方便并且易造成污染而在裝配生產(chǎn)中使用不多;氣動(dòng)扳手由于尺寸小，重量輕，單位重量輸出功率大，對環(huán)境污染小，可以實(shí)現(xiàn)大的扭矩輸出，成本低而在產(chǎn)品裝配線上得到廣泛應(yīng)用，尤其是一些需要大扭矩的場合;電動(dòng)扳手由于無污染、可以與微型計(jì)算機(jī)相連實(shí)現(xiàn)螺紋緊固件擰緊過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可精確控制作用到緊固件上的扭矩，對于汽車、船舶、機(jī)車等行業(yè)，由于產(chǎn)品中螺紋緊固件多、所需的扭矩較大，需要能長時(shí)間的持續(xù)工作、大扭矩的扳手。沖擊式氣動(dòng)扳手由于可快速實(shí)現(xiàn)螺紋緊固件裝配、作用扭矩大等特性而成為產(chǎn)品裝配線上的主要工具，但存在扭矩?zé)o法控制的問題。本文借鑒了目前國內(nèi)外定扭矩氣動(dòng)扳手的扭矩控制方式及工作機(jī)理，提出了一種新的機(jī)理正確、結(jié)構(gòu)簡單的定扭矩裝置方案，該裝置設(shè)置有超扭矩量程自動(dòng)切斷氣源功能，同時(shí)在該基礎(chǔ)上充分發(fā)揮現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制的柔性化的特點(diǎn)，在最大扭矩以內(nèi)人為自由選擇旋緊扭矩的大小，可實(shí)現(xiàn)對不同要求的配合零件的擰緊，并且配有不同大小的螺母開口，適合于各種部件的擰緊，有效地解決了上述問題。 目錄 第一章 緒論 1.1課題研究的目的和意義 1.2 自動(dòng)扳手主要技術(shù)指標(biāo) 1.3氣動(dòng)扳手的發(fā)展現(xiàn)狀和問題 第二章 基本原理和總體設(shè)計(jì) 2.1扭矩測量及擰緊系統(tǒng)的基本原理及總體方案 2.2各組成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)· 第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2機(jī)械式定扭矩裝置設(shè)計(jì) 3.3氣源自動(dòng)切斷裝置 第四章 信號檢測與數(shù)據(jù)處理及程序舉例 4.1自動(dòng)檢測控制裝置 4.2電路組成 心得體會 參考文獻(xiàn) 附錄A主要部分電路連接圖 附錄B新型自檢測氣動(dòng)扳手結(jié)構(gòu)圖 第1章緒論 1.1課題研究的目的和意義 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是多學(xué)科的交叉和綜合，設(shè)計(jì)的學(xué)科和技術(shù)非常廣泛，且其應(yīng)用領(lǐng)域眾多。要全面精通它，不但需要強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)科融合的思維能力、加強(qiáng)相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，還要及時(shí)學(xué)習(xí)新概念、新技術(shù)、將來才能成為機(jī)電一體化復(fù)合型人才。 本課程設(shè)計(jì)的目的是研究怎樣利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和綜合集成技巧，將控制電動(dòng)機(jī)、傳感器、機(jī)械系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、接口及控制軟件等機(jī)電一體化要素組成各種性能優(yōu)良、可靠的機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。本課程的具體要求是：掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念、基本原理和基本知識；熟悉機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常用機(jī)械量檢測傳感器、控制電動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用；初步掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和綜合集成技巧，進(jìn)行總體方案的分析和設(shè)計(jì)。 1.2課題主要技術(shù)指標(biāo)要求 本課程設(shè)計(jì)要求能實(shí)現(xiàn)扭矩的微機(jī)自動(dòng)檢測，扳手開口直徑大小可調(diào)，要求傳感器具有較高的檢測精度。 1.3氣動(dòng)扳手的發(fā)展現(xiàn)狀和問題[1] 目前，沖擊式氣動(dòng)扳手在產(chǎn)品裝配流水線上作為主要的低值易耗工具被廣泛應(yīng)用，這種扳手具有輸出扭矩大、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，但其噪音大，而且作用到螺紋緊固件上的扭矩大小難以控制。因此，目前大部分沖擊式氣動(dòng)扳手都不具有定扭矩的功能。但隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，對產(chǎn)品的裝配提出了很高的要求，要求提高螺紋緊固件的裝配質(zhì)量、可靠性和裝配效率。例如對于汽車、飛機(jī)等產(chǎn)品中的一些重要的螺紋聯(lián)接，要求裝配時(shí)作用到螺紋緊固件上的扭矩非常精確，這樣才能確保聯(lián)接的可靠性，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，綠色產(chǎn)品悄然興起，相應(yīng)的產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)成為一種新的設(shè)計(jì)方法。對產(chǎn)品進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)要求改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，多使用一些可拆性、可回收性的結(jié)構(gòu)如螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接。這時(shí)，為保證產(chǎn)品性能，要求這些聯(lián)接可靠，螺紋緊固件所受的扭矩也需控制在一定值內(nèi)。為此需要?dú)鈩?dòng)扳手?jǐn)Q緊螺紋緊固件時(shí)作用在螺紋緊固件上的扭矩控制在預(yù)定的扭矩范圍內(nèi)。扭矩值變動(dòng)范圍不能偏大，否則將使螺紋緊固件在工作時(shí)因強(qiáng)度不足發(fā)生突然折斷而失效或者在工作時(shí)易產(chǎn)生松動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)品性能不能滿足要求。因此，在使用氣動(dòng)扳手進(jìn)行產(chǎn)品裝配時(shí)，需要?dú)鈩?dòng)扳手能夠精確控制其輸出扭矩。具有精確扭矩控制的氣動(dòng)扳手成為當(dāng)前氣動(dòng)扳手的發(fā)展趨勢。縱觀現(xiàn)有的定扭扭矩氣動(dòng)扳手存在下列問題: l)實(shí)現(xiàn)扭矩控制的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造成本較高; 2)扳手的體積較大，重量重，有的還需要附帶一套控制裝置，使用不方便; 3)扭矩控制精度不高，不能滿足生產(chǎn)需要，并且扭矩調(diào)節(jié)困難; 第2章系統(tǒng)的基本原理和總體設(shè)計(jì) 目前，國內(nèi)外風(fēng)動(dòng)工具生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的各種定扭矩氣動(dòng)扳手所采用的扭矩控制方式是不同的，相應(yīng)的定扭矩控制裝置也不同。下面對于沖擊式定扭矩氣動(dòng)扳手的扭矩控制應(yīng)采用的方式，提出了結(jié)構(gòu)簡單、原理可行的扭矩控制方案，從理論上分析了該方案的可行性。 2.1扭矩測量及擰緊系統(tǒng)的基本原理 這里采用扭矩測量傳感器，利用應(yīng)變片檢測扭矩的大小，經(jīng)放大器放大后，將其送入單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與判斷，系統(tǒng)工作的情況下，電磁閥的狀態(tài)是開啟的，如果該測量值大于單片機(jī)程序中的預(yù)設(shè)值，那么單片機(jī)輸出控制信號將電磁閥關(guān)閉，從而切斷氣源輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測，自動(dòng)切斷的功能，單片機(jī)中扭矩預(yù)設(shè)值為用戶自己選擇，為控制系統(tǒng)的最大扭矩輸出，在這里設(shè)計(jì)了片簧轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)，當(dāng)預(yù)設(shè)值大于或等于該扳手的最大輸出時(shí)，檢測控制系統(tǒng)將失去作用，因此，該預(yù)設(shè)值必須在最大值下設(shè)定。系統(tǒng)的控制原理圖如下： 扳手檢測裝置有標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、扭矩測量儀表和氣源控制器三部分構(gòu)成，硬件構(gòu)架主要包括89S52的單片機(jī)、I/O模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成，具體的工作原理如下圖所示：扳手連接完成后，單片機(jī)將控制信號通過I/O模塊發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊控制氣源給氣，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)軸開始動(dòng)作，同時(shí)扭矩測量儀實(shí)時(shí)測量扭矩，扭矩值通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸給單片機(jī)，并由單片機(jī)輸出顯示信息，將測量的扭矩值顯示在LCD顯示盤上，單片機(jī)判定是否達(dá)到預(yù)設(shè)的扭矩值，比較判斷后繼續(xù)發(fā)出控制信號，進(jìn)而完成系統(tǒng)閉環(huán)控制 2.2 各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.2.1氣動(dòng)扳手的結(jié)構(gòu)[4] 氣動(dòng)扳手按其工作機(jī)理不同可分為沖擊式氣動(dòng)扳手和脈沖扳手，其中沖擊式氣動(dòng)扳手在我國使用最為廣泛。沖擊式氣動(dòng)扳手結(jié)構(gòu)主要由氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和沖擊機(jī)構(gòu)組成，包含氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、沖擊頭、凸輪軸、扳軸、柄體等零部件。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是氣動(dòng)扳手的動(dòng)力來源，它將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能，同時(shí)輸出扭矩。沖擊機(jī)構(gòu)由沖擊頭、凸輪軸、鋼球、扳軸、花鍵聯(lián)接套等組成，是氣動(dòng)扳手的工作機(jī)構(gòu)，輸出氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩和能量。沖擊頭和花鍵聯(lián)接套之間通過花鍵相連，沖擊頭內(nèi)端面有一不封閉的凹槽，凸輪軸左端面有一凹槽且凹槽為凸輪輪廓;在沖擊頭和凸輪軸凹槽之間夾著一鋼球，扳軸與凸輪軸之間通過花鍵相連。扳軸端部為四方頭，可配接各種螺帽套。工作時(shí)，扳軸與螺紋緊固件相連，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩通過花鍵聯(lián)接套、沖擊頭、扳軸等傳遞作用到螺紋緊固件上。氣動(dòng)扳手工作時(shí)，螺紋緊固件與扳軸、凸輪軸相連，并與之一同轉(zhuǎn)動(dòng);沖擊頭通過花鍵聯(lián)接套與氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)相連，隨氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)一同轉(zhuǎn)動(dòng);沖擊彈簧壓緊沖擊頭，使沖擊頭和凸輪軸與鋼球相互接觸。當(dāng)打開氣閥開關(guān)后，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出扭矩。若扳軸所受的螺紋緊固件阻力矩小于凸輪軸與鋼球、沖擊頭與鋼球之間的摩擦力矩時(shí)，沖擊頭帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪軸帶動(dòng)扳軸、螺帽一同轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，螺帽一般沒有與被聯(lián)接件接觸。若扳軸所受的螺紋緊固件阻力矩大于凸輪軸與鋼球、沖擊頭與鋼球之間的摩擦力矩時(shí)，鋼球的摩擦力矩不能帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼球在沖擊頭帶動(dòng)下將沿凸輪軸端面內(nèi)凹槽凸輪輪廓爬升，沖擊頭與凸輪軸之間有相對運(yùn)動(dòng)，沖擊頭在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)沿軸向向左運(yùn)動(dòng)。在沖擊頭的左端有一對牙嵌。當(dāng)鋼球爬升到凸輪軸端面上時(shí)，沖擊頭的牙嵌與扳軸發(fā)生碰撞，推動(dòng)扳軸轉(zhuǎn)動(dòng)，螺紋緊固件也隨之一同轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，鋼球又滑回到凸輪軸端面內(nèi)凹槽中，沖擊頭軸向右移，與扳軸脫開結(jié)束碰撞。通常沖擊頭每轉(zhuǎn)一圈，沖擊頭與扳軸碰撞一次。扳軸每碰撞一次就將扭矩傳遞給螺紋緊固件。隨著碰撞次數(shù)增加，螺紋緊固件上積累的扭矩增多。當(dāng)螺紋緊固件上積累扭矩大于氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的最大扭矩時(shí)，沖擊頭與扳軸碰撞時(shí)產(chǎn)生反彈，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)不再對扳軸作功。此時(shí)操作工需關(guān)閉氣閥，切斷氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣。 2.2.2定扭矩裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)定扭矩氣動(dòng)扳手的扭矩控制的裝置的基本思路是當(dāng)輸出扭矩達(dá)到最大值時(shí)，沖擊部分能與氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)安全脫開，不再擰緊螺紋緊固件，使氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩不傳遞給螺紋緊固件。出于對氣動(dòng)扳手的尺寸較小，輸出扭矩大，成本低等要求的考慮，本課題設(shè)計(jì)的定扭裝置采用結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便的機(jī)械式離合器。這樣可以保證定扭裝置在輸出較大扭矩情況下保持較小的尺寸，并且成本低廉，滿足氣動(dòng)扳手的定扭矩精度要求。 2.2.3片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 根據(jù)上面基本思想設(shè)想提出了一種可以控制扭矩的離合器結(jié)構(gòu)一一片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.2(圖(a)為整體結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為單個(gè)片簧一轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)放大圖)?？紤]到具有扭矩控制的氣動(dòng)扳手的輸出扭矩應(yīng)可以調(diào)節(jié)，這樣可使該定扭矩氣動(dòng)扳手的使用范圍更廣，圖2.2所示的轉(zhuǎn)子一片簧結(jié)構(gòu)的定扭矩裝置具有扭矩可調(diào)的功能。在轉(zhuǎn)子一片簧結(jié)構(gòu)中，片簧固結(jié)在內(nèi)圈上，內(nèi)圈和外圈之間可以相對轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)調(diào)節(jié)好內(nèi)圈與外圈之間的相對位置后，將內(nèi)圈和外圈固定在一起，它們的位置在轉(zhuǎn)子一片簧結(jié)構(gòu)工作時(shí)保持不變。為了減小轉(zhuǎn)子與片簧之間的摩擦和磨損，在轉(zhuǎn)子末端裝有滾柱。若將該結(jié)構(gòu)嵌入到氣動(dòng)扳手中，轉(zhuǎn)子可與氣動(dòng)扳手中的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸相連，片簧、內(nèi)圈、外圈可與氣動(dòng)扳手沖擊部分相連。工作時(shí)，如果轉(zhuǎn)子一片簧結(jié)構(gòu)中內(nèi)圈受到阻力矩，固定不動(dòng)，轉(zhuǎn)子在驅(qū)動(dòng)力矩作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，對片簧產(chǎn)生作用力，使片簧產(chǎn)生彎曲變形。若內(nèi)圈所受的阻力矩小于片簧所承受的最大力矩時(shí)，片簧、內(nèi)圈、外圈和沖擊部分隨轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動(dòng)，使該結(jié)構(gòu)輸出扭矩;若內(nèi)圈所受的阻力矩大于片簧所承受的最大力矩時(shí)，轉(zhuǎn)子打滑，片簧、內(nèi)圈和外圈不再隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有扭矩輸出。 這樣可使片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的扭矩輸出值控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。該裝置除可以控制扭矩外，還可以實(shí)現(xiàn)扭矩的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍士20%。當(dāng)調(diào)節(jié)扭矩時(shí)，可以調(diào)節(jié)內(nèi)、外圈之間的相對位置。研究表明，該結(jié)構(gòu)輸出的最大扭矩與片簧和內(nèi)圈中心線之間的夾角a值有很大關(guān)系。設(shè)計(jì)片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)，需要確定計(jì)算出片簧、內(nèi)圈等的基本參數(shù)。片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過程如圖2.4。轉(zhuǎn)子的半徑廠由所傳遞的扭矩按與轉(zhuǎn)子相配合的軸的強(qiáng)度來計(jì)算確定滾柱半徑，按與滾柱配合的軸的剪切強(qiáng)度確定。內(nèi)圈的半徑R的確定需要考慮片簧的變形，應(yīng)使片簧的變形較小并且片簧在工作時(shí)不應(yīng)與內(nèi)圈發(fā)生干涉，這里取(r+rT)=0.8R。對于片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說，其輸出扭矩的主要影響因素是片簧的截面尺寸，故片簧的設(shè)計(jì)成為該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。由于片簧的截面尺寸結(jié)構(gòu)決定于片簧的慣性矩I，設(shè)計(jì)時(shí)確定片簧慣性矩就可以確定片簧尺寸。由式(2.3)可知，若片簧各處截面相等，在其它參數(shù)一定條件下輸出扭矩M與片簧慣性矩I成正比，并且片簧慣性矩I值變化對結(jié)構(gòu)的最大輸出扭矩值所對應(yīng)的βm值沒有影響。設(shè)計(jì)時(shí)，初選片簧的慣性矩I0，計(jì)算出此時(shí)該結(jié)構(gòu)的最大輸出扭矩Mmax。比較最大輸出扭矩Mmax和所允許的最大扭矩[M]值，可以確定片簧的慣性矩I。若片簧的截面為矩形，當(dāng)給定片簧截面的寬度或高度尺寸后，就可以確定片簧的高度或?qū)挾瘸叽?。考慮片簧要有彈性，片簧的材料選用彈簧鋼。 若所允許的最大扭矩[M]=26N·m，現(xiàn)設(shè)計(jì)片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模型。按照上述片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，取α=45，片簧的材料選擇彈簧鋼55Si2Mn，其彈性模量E=206GPa，片簧的截面為矩形。根據(jù)所傳遞的最大扭矩，按照強(qiáng)度要求計(jì)算得r=23mm，:rT=5mm，則R=35mm。初定片簧的慣性矩為I=7.8mm4。由式(2.3)可得到最大輸出扭矩Mmax對應(yīng)的βm值，此時(shí)βm=5.7。。由于最大輸出扭矩Mmax與片簧慣性矩I成正比，由所允許的[M]值可確定片簧的慣性矩為I=4mm4。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的片簧慣性矩I，當(dāng)給定片簧截面的寬度或高度尺寸時(shí)，就可確定高度或?qū)挾瘸叽纭Ｈ羝傻膶挾葹?mm，則高度為2mm。 第3章其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 氣動(dòng)扳手使用壓縮空氣作為工作介質(zhì)，采用沖擊碰撞的機(jī)理進(jìn)行工作。氣動(dòng)扳手涉及到熱工學(xué)、碰撞理論等方面的知識，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合應(yīng)用這些知識。定扭矩氣動(dòng)扳手主要由氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、沖擊機(jī)構(gòu)和定扭矩部分組成，故定扭矩氣動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)還包括氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、沖擊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、定扭矩裝置設(shè)計(jì)以及氣動(dòng)扳手中氣路設(shè)計(jì)、氣閥設(shè)計(jì)等輔助控制裝置設(shè)計(jì)。 3.1氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[5] 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)也稱為氣馬達(dá)，按結(jié)構(gòu)形式分有活塞式氣馬達(dá)、葉片式氣馬達(dá)、齒輪式氣馬達(dá)、渦輪式氣馬達(dá)。葉片式氣馬達(dá)由于結(jié)構(gòu)簡單、外形尺寸小、單位重量輸出功率大、維護(hù)性好等特點(diǎn)，在氣動(dòng)工具中被廣泛用作動(dòng)力源件。氣動(dòng)扳手常采用正反轉(zhuǎn)性能相同的葉片式氣馬達(dá)。 3.1.1氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 正反轉(zhuǎn)性能相同的葉片式氣馬達(dá)的工作原理圖如圖3.1。當(dāng)氣馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)，壓縮空氣自左邊口1進(jìn)氣，壓縮空氣對葉片5作功，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。直到氣馬達(dá)轉(zhuǎn)子內(nèi)氣腔的氣體與排氣口3接通，則進(jìn)行排氣;尚有部分未從排氣口3排完的氣體則從右邊口2(反轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)氣口)排到大氣中。當(dāng)氣馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，壓縮空氣自右邊口2進(jìn)氣，壓縮空氣對葉片5作功，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到一定位置，轉(zhuǎn)子內(nèi)氣腔的氣體與排氣口3接通，則進(jìn)行排氣;尚有部分未從排氣口3排完的氣體則從左邊口l(正轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)氣口)排到大氣中。排氣口3相對于左邊口1(正轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)氣口)和右邊口2(反轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)氣口)的位置是對稱的，故氣馬達(dá)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)性能相同。 3.2機(jī)械式定扭矩裝置設(shè)計(jì) 第二章中介紹了定扭矩氣動(dòng)扳手所采用的片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)定扭矩裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由理論分析可知，該結(jié)構(gòu)的定扭矩裝置輸出扭矩有個(gè)最大值，可以用來控制扭矩。當(dāng)把定扭矩裝置放置到氣動(dòng)扳手中，可將定扭矩裝置放在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和沖擊部分之間，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.6。轉(zhuǎn)子與氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)相連，片簧、內(nèi)圈與氣動(dòng)扳手沖擊部分相連。通過控制沖擊部分的輸入扭矩來控制氣動(dòng)扳手作用到螺紋緊固件上的扭矩。 由于氣動(dòng)扳手是裝配生產(chǎn)中使用的機(jī)動(dòng)扳手，通常要求其尺寸小，重量輕，適合單人操作。故對于具有扭矩控制的氣動(dòng)扳手不僅要求能夠控制輸出扭矩，而且要求氣動(dòng)扳手的尺寸不能很大。同時(shí)，要求定扭矩氣動(dòng)扳手在輸出扭矩達(dá)到預(yù)定值后能自動(dòng)切斷氣源以便降低氣動(dòng)扳手的耗氣量，節(jié)約產(chǎn)品的裝配成本，并且希望定扭矩氣動(dòng)扳手能夠給操作工發(fā)出扭矩達(dá)到規(guī)定值的信號，也就是要求定扭矩氣動(dòng)扳手在扭矩達(dá)到預(yù)定值時(shí)具有自動(dòng)切斷氣閥、自動(dòng)報(bào)警功能。考慮到這些因素和功能要求，當(dāng)把定扭矩裝置集成到氣動(dòng)扳手中時(shí)，需要對定扭矩裝置和氣動(dòng)扳手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。需要考慮定扭矩裝置如何與氣動(dòng)扳手中各部件連接，如何在保持定扭矩裝置一定輸出扭矩時(shí)縮小定扭矩裝置的尺寸以及如何實(shí)現(xiàn)扭矩達(dá)到時(shí)自動(dòng)切斷氣閥、自動(dòng)報(bào)警等功能。本課題中定扭矩氣動(dòng)扳手是以BQG16型氣動(dòng)扳手為基礎(chǔ)，根據(jù)BQG16型氣動(dòng)扳手應(yīng)用范圍，要求氣動(dòng)扳手的輸出扭矩控制在10ON.m，則定扭矩裝置中片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所允許的最大扭矩[M]=100N.m。由BQG16型氣動(dòng)扳手的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的直徑和聯(lián)接平鍵的強(qiáng)度要求可確定轉(zhuǎn)子半徑r=15mm，滾柱半徑rT=5mm，片簧與內(nèi)圈中心線的夾角α=450。，并由此可確定內(nèi)圈半徑R=25mm。由前面介紹的片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟可知:當(dāng)確定轉(zhuǎn)子半徑r、滾柱半徑rT、角α和內(nèi)圈半徑R后，可以設(shè)計(jì)片簧的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可先假設(shè)片簧的慣性矩I=4mm4，利用式(2.1)(2.2)(2.3)得到片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最大輸出扭矩時(shí)對應(yīng)的角βm值，βm=6.527。。由于最大輸出扭矩Mmax與片簧的慣性矩I成正比，故對于等截面的片簧，由要求的最大輸出扭矩值[M]可確定片簧的慣性矩I=13.5mm4。若片簧的截面為矩形并且知道片簧的寬度b=6mm，則由矩形截面慣性矩計(jì)算公式 3.3氣源自動(dòng)切斷裝置 定扭矩氣動(dòng)扳手自動(dòng)切斷氣閥裝置應(yīng)在氣動(dòng)扳手輸出扭矩達(dá)到最大值后，能自動(dòng)切斷氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣，并且能在氣動(dòng)扳手關(guān)閉后恢復(fù)到工作前狀態(tài)，為氣動(dòng)扳手的下一步正常工作做好準(zhǔn)備。根據(jù)現(xiàn)有的定扭矩裝置和氣動(dòng)扳手的特點(diǎn)，利用氣壓差特性設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)切斷氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的裝置，其裝置的結(jié)構(gòu)如圖3.8。圖中(a)為定扭矩部分控制結(jié)構(gòu)圖，(b)為自動(dòng)切斷氣源部分的視圖，(C)為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制閥的側(cè)視圖。 花鍵聯(lián)接套上裝有花鍵銷，內(nèi)圈端面上有凸臺，用來控制花鍵銷沿徑向的伸縮運(yùn)動(dòng)，花鍵銷可以與外圈上內(nèi)花鍵嚙合。控制桿和控制閥桿靠近末端處各有一半圓形槽。由于氣動(dòng)扳手使用壓縮空氣作為工作介質(zhì)，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣控制閥的內(nèi)外存在壓力差。當(dāng)定扭矩氣動(dòng)扳手正常工作、氣動(dòng)扳手的輸出扭矩沒有達(dá)到預(yù)定值時(shí)，花鍵聯(lián)接套上的花鍵銷沒有與外圈上的內(nèi)花鍵嚙合，外圈不隨花鍵聯(lián)接套轉(zhuǎn)動(dòng)。由于控制桿末端圓柱體插入控制閥桿的半圓形槽中，勾住控制閥桿，使得控制閥套內(nèi)外的壓力差不能使控制閥桿關(guān)閉控制閥套，壓縮空氣可以通過控制閥套進(jìn)入氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)扭矩快達(dá)到預(yù)定值時(shí)，內(nèi)圈上的凸臺開始推動(dòng)花鍵銷往外運(yùn)動(dòng)，與外圈的內(nèi)花鍵嚙合，從而使花鍵聯(lián)接套帶動(dòng)外圈轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)外圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外圈上的凸臺使控制桿向下運(yùn)動(dòng)。這時(shí)控制閥桿與控制桿的半圓形槽相對，控制桿無法勾住控制閥桿。控制閥套內(nèi)外壓力差克服控制閥彈簧的彈力，壓縮控制閥彈簧使控制閥桿右移，關(guān)閉控制閥。這樣，壓縮空氣無法進(jìn)入氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)不能做功。同時(shí)控制閥桿在右移關(guān)閉控制閥時(shí)，其末端圓柱體插入到控制桿半圓形槽中，擋住控制桿的回退運(yùn)動(dòng)，使控制桿不能復(fù)位。當(dāng)操作工關(guān)閉氣閥后，控制閥套的內(nèi)外壓力差相等，控制閥彈簧的彈力使得控制閥桿離開控制閥套，恢復(fù)到工作前的位置。此時(shí)，控制閥打開，控制閥桿上的半圓形槽與控制桿相對，控制桿在控制桿彈簧作用下復(fù)位，控制桿末端圓柱體插入到控制閥桿的半圓形槽中，控制桿重新勾住控制閥桿。 第四章 信號檢測與數(shù)據(jù)處理方法及程序舉例 4.1自動(dòng)檢測控制裝置 原理：工作時(shí)，單片機(jī)通過I/O模塊和驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)氣源加載，實(shí)施采集扭矩扳手測量儀的數(shù)據(jù)，檢測判定達(dá)到峰值后，記錄數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)關(guān)閉氣源。 4.2電路組成 控制程序主要功能包括采集數(shù)據(jù)，發(fā)出控制信號，數(shù)據(jù)處理與維護(hù)等，單片機(jī)與檢測儀器實(shí)時(shí)通訊，單片機(jī)的P0口的八位接I/O模塊，用來接收扭矩傳感器的信號，中間的電路部分見附錄A，其中8255Ａ為方式０，Ａ口輸入，Ｂ口輸出，８２５５的片選信號CS及地址線A0，A1，分別由單片機(jī)的P0.7和P0.0，P0.1經(jīng)地址鎖存器提供，因此8255A的A，B，C口及控制口地址分別是FF7CH，F(xiàn)F7DH，F(xiàn)F7EH，F(xiàn)F7FH.下面是利用匯編語言編制的信號采集程序片段： MOV AL , 98H OUT FF7FH, AL MOV AL , 00H OUT FF7DH, AL ADD AL , 10H OUT FF7DH, AL SUB AL , 10H LOOP: IN AL , FF7EH TEST AL , FF70H JZ LOOP IN AL , FF8OH IN AL , FF7CH HLT 單片機(jī)的Ｐ１.０接電磁換向閥，采用雙向可控硅電路， 假設(shè)預(yù)設(shè)值存入寄存器Ｒ０中，采樣值存入寄存器Ｒ１中，則邏輯判斷程序如下 　　　 ORG　 0000H START: MOV AL, PO CMP AL, @RO JC LP1 MOV AL, 00H OUT P1.0,AL LP1: MOV AL, 01H OUT P1.0,AL HLT 下面是采用LCD顯示的程序片段： 心得體會： 通過本課程設(shè)計(jì)的整個(gè)設(shè)計(jì)制作過程，初步了解了利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和綜合集成技巧，以及如何將控制電動(dòng)機(jī)、傳感器、機(jī)械系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、接口及控制軟件等機(jī)電一體化要素進(jìn)行優(yōu)化配置，合理選型，從而組成各種性能優(yōu)良、可靠的機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。初步掌握了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念、基本原理和基本知識；基本熟悉了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常用機(jī)械量檢測傳感器、控制電動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用；初步掌握了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和綜合集成技巧，從而為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)及工作奠定良好的基礎(chǔ)。 在本課程設(shè)計(jì)的過程中，得到了楊慕升老師及其他各位老師親切指導(dǎo)。楊老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)精神使我受益匪淺，是我今后學(xué)習(xí)的榜樣。同時(shí)老師的和藹可親、平易近人的態(tài)度，也是非常值得我學(xué)習(xí)的。老師時(shí)刻關(guān)心我的課題研究的進(jìn)展程度，并提出了許多寶貴的建議。在此，對楊老師等致以最崇高的敬意。 向他們表示我最誠摯的謝意 最后，對所有關(guān)心支持我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同事和同學(xué)致以深深的謝意。 參考文獻(xiàn)： 1甘作霖，王鶴.液壓脈沖氣扳機(jī). 1991(3):15一20 2劉志峰.綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)與可持續(xù)發(fā)展.機(jī)械設(shè)計(jì).1997(1):l一3 3黎永泉.80年代國外鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具的發(fā)展. 1990(2):28一37 4黎永泉.國外裝配用氣動(dòng)工具現(xiàn)狀.1993(l):35一38 5劉見恒譯.沖擊式氣扳機(jī)的緊固扭矩自動(dòng)控制裝置.1982(2):52一53 6《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.1987.12 7李富成.葉片式氣動(dòng)馬達(dá)氣缸上進(jìn)、排氣口位置及大小的確定.鑿巖機(jī)械與風(fēng)動(dòng)工具.1986(2):17一26 19